輕與巧的完美結(jié)合: 纓甲飛行的秘密

張 星

1 中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所, 北京 100190

2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院, 北京 100049

動(dòng)物的飛行速度一般與其大小呈正相關(guān) (Tennekes 2009). 纓甲 (Paratuposa placentis) 是世界上最小的甲蟲, 身長(zhǎng)300 ～ 400 μm. 但是纓甲的飛行速度可與三倍其體長(zhǎng)的昆蟲相媲美 (Farisenkov 2020). 近日, 俄羅斯、日本和德國(guó)的科學(xué)家合作, 通過綜合技術(shù)手段, 結(jié)合形態(tài)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)測(cè)量以及計(jì)算流體力學(xué) (CFD) 仿真, 成功地揭示了纓甲超強(qiáng)飛行能力的秘密. 論文以“Novel flight style and light wings boost flight performance of tiny beetles”為題, 于2022 年1 月19 日發(fā)表在《Nature》雜志上 (Farisenkov et al. 2022). 在這篇論文中, 作者將纓甲的高超飛行性能歸功于“輕”與“巧”的完美結(jié)合. 具體來說, 即以下兩個(gè)關(guān)鍵因素的結(jié)合: (1) 獨(dú)特的翅膀拍動(dòng)方式 (巧) ;(2) 特殊的翅膀結(jié)構(gòu) (輕) .

纓甲翅膀的拍動(dòng)方式既不同于大、中型昆蟲通常采用的標(biāo)準(zhǔn)懸停模式 (Freymuth 1990) , 也不同于一些微小昆蟲采用的“深U 形”上揮模式 (Cheng & Sun 2018, Lyu et al. 2019) . 它的翼尖軌跡呈幾乎完全前后對(duì)稱的“橫臥8 字形”. 它的一個(gè)拍動(dòng)周期可以劃分為四個(gè)階段, 包括兩段快速向下的動(dòng)力拍擊和兩段緩慢向上的恢復(fù)拍擊 (見圖1(a)) . 由于產(chǎn)生的氣動(dòng)力力臂較大, 會(huì)引起身體大幅度的俯仰振蕩. 但是, 纓甲鞘翅大幅度的打開 (與閉合) 運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的慣性俯仰力矩起到了“剎車”作用, 有效地減小了身體的俯仰振蕩. 此外, 纓甲的一對(duì)翅膀在腹背部各出現(xiàn)一次“合攏打開”過程, 通過左右翼之間的相互作用, 進(jìn)一步提高了支持體重的垂直氣動(dòng)力 (Weis-Fogh 1973).

圖1(a) 翼尖的“8 字形”運(yùn)動(dòng)軌跡: 快速下?lián)鋾r(shí)翅膀呈平躺姿態(tài), 緩慢上揮時(shí)呈側(cè)立姿態(tài); (b) 后翅結(jié)構(gòu): 葉柄、窄翼葉片、剛毛狀緣纓以及剛毛上的次級(jí)突起; (c) 時(shí)均垂直力: 垂直力合力、后翅產(chǎn)生的垂直力、鞘翅產(chǎn)生的垂直力、身體產(chǎn)生的垂直力、 (假想) 膜狀翼產(chǎn)生的垂直力合力;(d) 比質(zhì)量需用功率: 時(shí)均值、峰值、 (假想) 膜狀翼的時(shí)均值、兩種不同厚度 (假想) 膜狀翼的峰值 (Farisenkov et al. 2022).

纓甲翅膀的這種拍動(dòng)方式成功地實(shí)現(xiàn)了拍動(dòng)幅度的最大化, 勢(shì)必導(dǎo)致慣性需用功率的峰值增大, 但是纓甲利用其特殊的翅膀結(jié)構(gòu)克服了這個(gè)潛在的問題. 纓甲用于飛行的翅膀是一對(duì)藏在鞘翅下的羽毛狀后翅 (feathered wing) . 它由葉柄、窄翼葉片和剛毛狀緣纓組成,每根剛毛還帶有很小的次級(jí)突起 (見圖1(b) ) . 與一般昆蟲翅膀的實(shí)心薄膜結(jié)構(gòu)相比, 這種帶有孔隙的疏松結(jié)構(gòu)在撲動(dòng)過程中的氣動(dòng)性能略有降低 (見圖1(c) ) , 但是由于其慣性更小, 有效降低了肌肉需用功率的峰值 (圖1(d) ) , 同時(shí)也無需翅膀的彈性儲(chǔ)能機(jī)構(gòu). 此外, 關(guān)于“合攏打開”機(jī)制的研究表明,羽毛狀翼在“打開”過程中需要克服的阻力也小于膜狀翼 (Jones et al. 2016) .

纓甲后翅的這種羽毛狀結(jié)構(gòu)和蒲公英種子的冠毛結(jié)構(gòu)非常類似, 但兩者的飛行機(jī)制卻完全不同. 在蒲公英種子的飛行中, 它的垂直力產(chǎn)生完全依賴阻力機(jī)制. 流體繞過冠毛結(jié)構(gòu)后,在其上部隔空形成一個(gè)非附著的穩(wěn)定渦環(huán), 使得種子飛得更穩(wěn)、更遠(yuǎn) (Cummins et al. 2018) . 而纓甲采用撲翼方式產(chǎn)生垂直方向的力, 升力機(jī)制和阻力機(jī)制同時(shí)對(duì)垂直力的產(chǎn)生有重要貢獻(xiàn).

近期的一系列研究表明, 在雷諾數(shù)處于 (10 ～ 100) 范圍內(nèi)的微小尺度生物的飛行與游動(dòng)中,推進(jìn)器官的結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)規(guī)律存在著一些趨同進(jìn)化的現(xiàn)象. 例如, 完全或部分利用阻力機(jī)制產(chǎn)生推進(jìn) (或支持體重) , 利用“合攏打開”機(jī)制增大力的強(qiáng)度, 利用帶有孔隙的疏松結(jié)構(gòu)降低重量和減小慣性需用功率等. 這些現(xiàn)象為仿生飛行器和仿生水下航行器的小型化設(shè)計(jì)提供了新思路.